宇宙には「公序良俗」を取り締まる存在がいる…? 「宇宙検閲官仮説」という“魅惑的な仮説”が生まれた背景に迫る

宇宙中有處理“公序良俗”的存在…?“宇宙檢閱官假說”這一魅惑性的假說誕生的背景



「宇宙検閲官仮説」
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なんとも不可思議で魅惑的な響きです。この文字の並びを見ているだけで、つぎつぎと疑問が湧いてきます。
宇宙を検閲する? 誰が? 何を? いったいどうやって?
なぜ宇宙に「検閲官」がいるなんていう、いっけん突飛に見える仮説が提示されたのか。ここではその背景を、大阪工業大學教授の真貝壽明さんがわかりやすくご説明します。

“宇宙檢查官假設”
這個名字聽起來有點不可思議又迷人。只是看著這個文字的排列,就會不斷產生疑問。
檢閱宇宙?是誰?做什么?到底怎么做?
為什么宇宙中有“審查官”,提出了一個看起來很奇怪的假說呢。在這里,大阪工業大學教授真貝壽明將簡單易懂地說明其背景。

「特異點」とは何か?
「宇宙検閲官」という不思議なタイトルにひかれて、このページを開かれた方も多いと思います。ご存じのように検閲官とは、公序良俗を亂すような「不適切な表現」が、公衆の目にふれないように取り締まる役人のことですが、宇宙にもそのようなものが存在している(に違いない)という考えが「宇宙検閲官仮説」です。提唱したのは、2020年にノーベル物理學賞を受賞したロジャー?ペンローズ(1931~)です。
では宇宙検閲官は、宇宙でいったい何を取り締まっているのでしょうか。それは「特異點」です。特異點とは、あらゆる物理法則が破綻をきたしてしまう「無限大」を導く點です。物理的には「あってはならない」不適切な場所なのです。

“特異點”是什么?
我想估計有很多人是被“宇宙檢閱官”這個不可思議的標題所吸引,打開這個頁面的。眾所周知,所謂審查官,是指為了不讓公眾看到擾亂公序良俗的“不恰當的表現”而進行處理的官員,認為宇宙中也存在著這樣的東西(肯定)的想法就是“宇宙審查官假說”。提出這一想法的是在2020年獲得諾貝爾物理學獎的羅杰·彭羅斯(1931~)。
那么太空檢閱官,在太空到底處理什么東西呢?就是“特異點”。所謂特異點,就是所有物理法則出現破綻,導致產生“無限大”的點。在物理上是“不應該存在的”、不合適的地方。

ペンローズは1960年代に、「特異點定理」を発表しました。それによって、ブラックホールのように重力で崩壊していく物質(星)の內部では、特異點が自然に出現することが証明されてしまいました。
それでも特異點がブラックホールの內側に隠されていれば、宇宙の「公序良俗」を亂すほど不適切な存在とはならないのですが、問題は、特異點にはどうやらブラックホールという“服”を著ていないものもあるらしいことです。何も身にまとっていない特異點が存在すると、物理法則は宇宙について予測することが不可能になってしまい、たいへん困ります。
このような厄介な特異點を、ペンローズは「裸の特異點」と名づけました。そして、宇宙には、物理法則が予測不能となる事態に陥るのを避けるため、あたかも検閲官のように裸の特異點を取り締まってくれる存在がいるはずだと、願望をこめて想定したのです。これが宇宙検閲官仮説です。

彭羅斯在20世紀60年代發表了《奇異點定理》。據其內容,證明了在像黑洞一樣因重力而崩潰的物質(星)內部,會自然出現特異點。
所以只要特異點被隱藏在黑洞的內側,就不會成為擾亂宇宙的“公序良俗”那樣不合適的存在,但問題是,特殊點有時候似乎不一定穿黑洞這個“衣服”。如果存在我們都不認得的特異點的話,就無法在宇宙觀測物理法則了,會非常為難。
彭羅斯把這種棘手的特異點命名為“裸體特異點”。而且,在宇宙中,為了避免陷入物理法則無法預測的事態,應該有像檢閱官一樣處理裸體的特異點的存在。這就是太空檢閱官假說。

一般相対性理論との関わり
しかし現在もなお、宇宙検閲官仮説は仮説にすぎません。はたして、宇宙には本當に検閲官がいて、物理法則が破綻しないように特異點から守ってくれているのか、いまだにわからないのです。本書は、悩める物理學者たちと特異點との攻防を、最新研究の現狀も含めて紹介していくものです。
特異點が生じるかどうかを分けるのは、一般相対性理論という物理理論です。これは1915年にアインシュタインが発表した重力についての理論で、「質量があると時空が歪み、歪んだ時空が重力の源である」と説明するものです。一般相対性理論からは、ブラックホールの存在、宇宙の膨張、そして重力波の存在が予言されています。

與一般相對論的關系
但是現在,宇宙檢查官假說也只是假說。到底宇宙真的有審查官,為了不破壞物理法則,用特異點保護著我們,現在人類還無從知曉。本書介紹了煩惱的物理學家們和特異點的攻防,包括最新研究的現狀。
區分特異點是否產生的是廣義相對論這一物理理論。這是1915年愛因斯坦發表的關于重力的理論,其說明了“有質量的話時空會變形,扭曲的時空是重力的來源”。一般相對論預言黑洞的存在、宇宙的膨脹以及引力波的存在。

ここ數年、一般相対性理論に関わるニュースをよく耳にするようになりました。2016年2月には、アメリカのLIGO(ライゴ)とヨーロッパのVirgo(ヴィルゴ)の両研究グループが「重力波を初めて観測することに成功した」と発表しました。重力波は時空の歪みが光速で伝わる現象です。
その発表は、14億光年先にあった連星ブラックホール(質量はそれぞれ太陽質量の35?6倍と30?6倍)が合體したことで、太陽質量の3?1倍のエネルギーが放出され、10のマイナス21乗という振幅で(太陽―地球間の距離に対して水素原子1個分にあたる小ささ)、0?2秒間の信號として重力波がとらえられた、というものでした。その後も重力波の観測は次々と報告され、日本のKAGRA(かぐら)グループも共同観測に加わって、これまでに90例が報告されています。

最近幾年,我經常聽到有關一般相對論的新聞。2016年2月,美國LIGO和歐洲Virgo兩個研究小組宣布“首次成功觀測到引力波”。引力波是時空扭曲以光速傳播的現象。
其發表的是由于14億光年前的連星黑洞(質量分別為太陽質量的35.6倍和30.6倍)合體,釋放出太陽質量的3.1倍的能量,以10的負21次方的振幅(相對于太陽-地球間的距離相當于1個氫原子的?。?,0.2秒的信號捕捉到引力波。此后,引力波的觀測也相繼被報告,日本的KAGRA小組也加入了共同觀測,到現在為止報告了90例。

また、2019年4月には、日本の國立天文臺を含む國際プロジェクトEHT(イベント?ホライズン?テレスコープ)が、「ブラックホールそのものの直接撮像に成功した」と発表しました。撮影されたのは、地球から5500萬光年離れたおとめ座の楕円銀河M87の中心にある巨大ブラックホール(太陽質量の65億倍)でした。黒い穴をとり囲む明るいドーナツの輪の寫真をご記憶の方も多いことでしょう。
ブラックホールの見かけの「穴」の大きさは、わずか1億分の1度(テニスボールを月面に置いたときの見込み角)で、この分解能を得るために北米?南米?歐州?南極の電波望遠鏡を同時にこのブラックホールに5日間向け、すべての望遠鏡のデータを集めて1つの大きな望遠鏡として計算しなおすデータ解析に2年を費やして得られた畫像でした。EHTグループは2022年5月には、私たちの天の川銀河の中心にある巨大ブラックホール(太陽質量の400萬倍)の寫真も公開しました。

另外,在2019年4月,包括日本國立天文臺在內的國際項目EHT宣布,“黑洞本身的直接拍攝成功”。拍攝的是距離地球5500萬光年的處女座橢圓銀河M87中心的巨大黑洞(太陽質量的65億倍)。很多人記得圍繞著黑洞的明亮甜甜圈圈的照片吧。
黑洞的外觀“洞”的大小僅為1億分之一度(類似將網球放置在月球表面),為了獲得較好的分辨率,北美、南美、歐洲、南極的電波望遠鏡同時面向該黑洞5天收集所有望遠鏡的數據,作為一個大望遠鏡重新計算的數據分析花費了2年得到的圖像。EHT集團在2022年5月還公布了位于我們銀河中心的巨大黑洞(太陽質量的400萬倍)的照片。

ほかにも、2020年4月には、東京大學?理化學研究所の香取秀俊さんのグループが、「東京スカイツリーの高さ450メートルの展望臺では地上よりも時計が速く進む」という重力赤方偏移を観測したことを発表しました。
原子時計よりも3桁精度がよい(300億年で1秒程度しか狂わない正確さの)光格子(ひかりこうし)時計を発明した香取さんらは、地上と展望臺での時間の進み方のわずかな違いを検出したのです。これは、一般相対性理論の出発點となる等価原理を、身近なスケールで検証できるようになったことを意味します。
このように相対性理論に関するニュースが相次いでいるのは、近年、精密な測定技術が開発されてきたことで、アインシュタインが100年以上も前に提案した理論がようやく実験や観測の直接的な対象となってきたことのあらわれです。

另外,2020年4月,東京大學理化學研究所的香取秀俊小組發表了觀測到“在東京天空樹高450米的展望臺上,時鐘比地上走得快”的重力紅移。
發明了比原子鐘精度高3位數(300億年只瘋狂1秒左右的準確度)的光柵時鐘的香取等人,檢測出了地面和展望臺的時間前進方法的微小差異。這意味著,我們可以在身邊的尺度上驗證一般相對論原理。
像這樣關于相對論的新聞相繼出現,近年來,隨著精密測量技術的開發,愛因斯坦在100多年前提出的理論終于成為了實驗和觀測的直接對象。

ブラックホールの內側の特異點
しかし一方で一般相対性理論は、いまも理論物理學者を悩ませる厄介な問題を抱えています。それが、特異點の存在です。
ブラックホールは一般相対性理論が予言した天體です。一般相対性理論の根幹をなすアインシュタイン方程式の解は、ブラックホールの內側に特異點が存在することを示しています。
また、一般相対性理論は宇宙が膨張することも予言しました。遠方の宇宙を観測すると、たしかに宇宙は膨張していて、138億年前にビッグバンと呼ばれる高溫高圧の狀態で生まれたことが確認できます。ビッグバンの直前にはインフレーションと呼ばれる急激な時空の膨張があったともいわれています。

黑洞內側的特異點
但是另一方面,一般相對論至今仍存在困擾理論物理學家的麻煩問題。那就是特異點的存在。
黑洞是一般相對論預言的天體。作為一般相對論基礎的愛因斯坦方程式的解,表明了黑洞內側存在特異點。
另外,一般相對論也預言了宇宙會膨脹。觀測遠方的宇宙,確實發現宇宙在膨脹著,也確認了138億年前在被稱為大爆炸的高溫高壓的狀態下誕生了宇宙。據說在大爆炸之前有被稱為宇宙暴脹(inflation)的急劇的時空膨脹。

しかし、それより前には何があったのか、宇宙誕生の瞬間はどうなっていたのか、といった問題は未解決のままです。それは、アインシュタイン方程式を解くと、膨張宇宙のはじまりが特異點となってしまうために、それ以上の議論ができないからです。
このように一般相対性理論は、特異點の存在を予言する理論です。いわば、みずから破綻してしまうような理論になっているのです。
ただし、アインシュタイン方程式はとても複雑な微分方程式なので、ブラックホールの解も膨張宇宙の解も、時空に対稱性があることや、簡単な物質でみたされているといった、狀況を簡単にするための仮定をしたうえで解かれています。ですから、もっと複雑な現実の宇宙には特異點は存在しないのではないかと、そこに救いを求めた理論物理學者もいました。
しかし、その願いは、ペンローズとホーキングによってあえなく打ち砕かれてしまいました?!柑禺慄cは(時空の対稱性などの仮定によらず)一般的に存在する」ことが、特異點定理によって數學的に証明されてしまったのです。

但是,在那之前發生了什么,宇宙誕生的瞬間是怎樣的,這樣的問題還沒有解決。那是因為,如果解開愛因斯坦方程式,膨脹宇宙的開始就會成為特異點,所以不能進行更多的討論。
這就導致了:一般相對論是預言奇異點存在的理論,但同時也是一種自我打破的理論。
因為愛因斯坦方程式是非常復雜的微分方程式,所以黑洞的解和膨脹宇宙的解,都是在假設了時空中具有對稱性、或者是簡單的物質也能滿足、以及進行了簡單情況下的假設之后,才被解出來的。因此,在更復雜的現實宇宙中不存在特異點,也有一些理論物理學家是這么解釋的,以此來尋求拯救。
但是,這一想法被彭羅斯和霍金打碎了?!疤禺慄c(不依賴時空對稱性等假設)是一般存在的”,這是由特異點定理在數學上證明的。

特異點定理はかなり一般的で、手堅い定理でした。物理學者は、特異點によって物理法則が破綻してしまうことをどう考えればよいのかを、真剣に模索しなければならなくなりました。
そこで、物理法則を窮地に陥れたペンローズ自身が提案したのが「宇宙検閲官仮説」です。それは、「特異點が発生してもブラックホールの中に閉じ込められているから心配しなくてもよいだろう」とする仮説です。ブラックホールなしに「裸の特異點」が出現すると、それは自然界の検閲に引っかかって隠されるはずだ、というわけです。
しかしこれは、あくまでも希望的推測です?!赋簸い猡韦摔膝榨郡颏工搿垢肖踏挨à蓼护?。これで本當に一般相対性理論は、そして物理學は大丈夫なのか、ご一緒にみていきましょう。

奇異點定理相當普遍,很硬的定理。物理學家必須認真地探索,由于特異點導致物理法則破裂了的事應該如何應對。
因此,陷入物理法則困境的彭羅斯自己提出的是“宇宙檢閱官假說”。這是“即使發生了特異點也會被關在黑洞里,所以不用擔心”的假說。在沒有黑洞的情況下出現“裸體的特異點”的話,應該會被自然界的檢查所吸引而藏起來。
但是這始終是希望的推測??偢杏X是在刻意“掩蓋丑聞”。這樣的話,廣義相對論,還有物理學真的沒問題嗎?讓我們一起拭目以待吧。

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